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- Herausgeber: RUTH
- Kategorie: Fachliteratur
- Sprache: Spanisch
- Veröffentlichungsjahr: 2016
La nanociencia y la nanotecnología son consideradas una revolución industrial que transformará muchas de las esferas de la actividad humana en los próximos años. Constituye un área de crecimiento vertiginoso a causa de sus potenciales aplicaciones. Sin embargo, muchas de las propiedades que hacen útiles a los nanomateriales, pueden, de igual forma, constituir fuentes potenciales de riegos. En el presente libro se brindan, de modo resumido, los elementos básicos que se deben tener en cuenta para los trabajos de investigación y desarrollo de este campo emergente, de manera que no representen un riesgo para el hombre y el medioambiente.
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Ähnliche
Edición: Lic. Carlos A. Andino Rodríguez
Diseño de cubierta: Dania Iskra Carballosa Fuentes
Diseñointerior: Yadyra Rodríguez Gómez
Composición digital: Bárbara A. Fernández Portal
Corrección: NatachaFajardo Álvarez
Coordinador científico: Dr. Luis Felipe Desdín
Emplane para E-book: Belkis Alfonso García
© Colectivo de autores, 2014
© Sobre la presente edición:
Editorial Científico-Técnica, 2014
Estimado lector, le estaremos muy agradecidos si nos hacellegar su opinión, por escrito, acerca de este libro yde nuestras publicaciones.
ISBN 978-959-05-0817-2
INSTITUTO CUBANO DEL LIBRO
Editorial Científico-Técnica
Calle14, no. 4104, entre 41 y 43, Playa, La Habana, Cuba
Dedicatoria
Dedicado a la memoria de los distinguidos investigadores
Dr. José Griffith Martínez y Dr. Luis Martí López
Prólogo
El desarrollo de las nanotecnologías puede ser comparable quizás a la Revolución Industrial, pero comprimido en unos cuantos años
Informe del Centro por la Nanotecnología Responsable (año 2006)
El progreso de la sociedad está íntimamente ligado a su capacidad de asimilar de manera efectiva y responsable los avances de la ciencia.Estos permiten acelerar los procesos de cambios que elevan la eficiencia económica, amplían la gama de productos de alto valor agregado,hacen un uso más racional de los recursos naturales, satisfacen necesidades básicas de la población y preservan de manera adecuada el patrimonio de las naciones.
La política científica trazada por nuestro país está dirigida a sostener los resultados obtenidos en varios campos de la ciencia y a desarrollar nuevas áreas, entre las que se destaca la nanotecnología. Esta esfera emergente abarca el diseño, la caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas por medio del control de sus formas y dimensiones a escala nanométrica. Un nanómetro es una mil millonésima de metro, por lo que la nanoescala comprende la región incluida entre 1 y 100 nanómetros. En la zona nano los materiales refuerzan las propiedades que exhiben en escalas microscópicas o exhiben otras nuevas y sorprendentes. Semejante comportamiento se debe a la manifestación de las leyes físicas de naturaleza cuántica que gobiernan las nanopartículas.
Como las propiedades cambian al pasar a la nanoescala, resulta fácil de imaginar el impacto de los nanomateriales en muchos sectores:electrónica, computación, almacenamiento de datos, fotónica, comunicaciones, materiales y manufacturas, reactivos químicos, plásticos, energía, medio ambiente, defensa entre otras. Al decir de Michael C. Roco:“Elobjetivo de la nanotecnología es construir el futuro, molécula a molécula”, por ello no es una simple tecnología, es más bien una tecnología'facilitadora', como en su momento lo fueron los textiles, los ferrocarriles, los automóviles, la aviación y las computadoras, que al entrar en escena produjeron un profundo cambio en la sociedad y la visión del mundo.
Sin embargo, la historia de la tecnología nos alecciona que cada nuevo avance en el ámbito de las leyes de la naturaleza que brinde solución a necesidades humana irá acompañado de riesgos. La energía nuclear, los alimentos genéticamente modificados y la clonación entre otras muchas plantean nuevos e insospechados retos, por lo que cada paso en el progreso tecnológico deberá ser sopesado cuidadosamente, ya que presupone una evaluación de la relación costo-beneficio.
En el verano de 1921, cuando Marie Curie sintió los primeros síntomas de que padecía cataratas, pudo asociarlo a otras dolencias que la habían aquejado en los últimos años y comenzó a sospechar que las emanaciones de radio podían producir algo más que quemaduras en los dedos. La esperanza en que la radioactividad tuviera un efecto permanente sobre las células cancerosas estaba en su apogeo, pero sus efectos nocivos provocarían que ella y su hija Irene murieran por leucemia. Cuentan que su esposo Pierre Curie experimentaba durante horas sobre su propia piel los efectos del Radio y presumiblemente, el accidente con un coche tirado por caballos, que puso fin a su vida, privó a la comunidad científica de una evidencia estadísticamente necesaria para comprender, desde sus albores, las serias consecuencias de la inadecuada manipulación en la síntesis y empleo de los elementos radioactivos.
Las preocupaciones, que hoy día despierta la nanotecnología están vinculadas con el hecho de que en la nanoescala las propiedades mecánicas, electrónicas, ópticas, químicas, biológicas y otras, de una sustancia, pueden diferir notablemente de las que exhiben en estado microscópico y macroscópico. De ello se deriva un asunto crucial, el riesgo potencial que pudiera ocultar para el medio ambiente y la salud. Muchas de las propiedades que hacen útiles a los nanomateriales de igual forma pueden constituir fuentes potenciales de riesgos. Estos se relacionan con la toxicidad, reactividad química, incendio y explosión.
La toxicidad de los nanomateriales depende de las concentraciones, dimensiones, formas, cristalinidad, agregación, química superficial y tipo de célula con la que interactúan, por lo que su evaluación requiere un análisis casuístico.
Los datos referentes a la nanotoxicidad son aún escasos, con frecuencia controversiales y el número de nuevos tipos de nanomateriales crece con rapidez. Por otra parte, aún son pocas las regulaciones o estándares de que se dispone para evaluar sus efectos toxicológicos. También existen dudas de si los test diseñados para evaluar una sustancia en estado microscópico resultan apropiados para iguales fines, cuando esta se encuentra en estado nano. En este escenario, resulta prudente considerar que todos los nanomateriales pueden ser potencialmente dañinos, a menos que se obtenga la información suficiente para probar lo contrario.
El escenario nacional está caracterizado por un número creciente de instituciones que efectúan investigaciones en la esfera de la Nanociencia y la Nanotecnología, dirigidas a aplicaciones biomédicas. Por otra parte, crece en el mercado internacional el número de materias primas y productos que incluyen en su constitución nanopartículas, las que presumiblemente estén siendo importadas o que lo sean en un futuro cercano. Sin embargo, en el país aún no se dispone de ningún texto técnico en que se resuman los elementos esenciales de cómo manipular a estos nuevos tipos de materiales muy peligrosos.
El presente texto contiene los elementos básicos de la nanoseguridad, eslabonados por especialistas que ya poseen una cultura de seguridad en un ámbito tan complejo como la esfera nuclear. Los autores brindan de manera sencilla, pero rigurosa, los conocimientos esenciales para realizar buenas prácticas en el campo de las nanociencias y las nanotecnologías. Atendiendo al acelerado desarrollo en esta esfera resulta imposible agotar el tema en un compendio de esta naturaleza, debiéndosele considerar apenas como una guía para su abordaje. A los líderes científicos y directivos, resta la tarea de crear un clima organizacional educativo para intercambiar reportes de eventos adversos, que permitan evaluar el impacto en la salud de los procesos de síntesis y manipulación, catalizando la creación de normas por los órganos reguladores.
Al poner este libro en manos de los lectores, la Editorial Nuevo Milenio está dotándoles de herramientas básicas que contribuirán a elevar la cultura de seguridad, además a garantizar un exitoso proceso de asimilación y desarrollo de las nanociencias, así como nanotecnologías en nuestro país.
Dr. Iván Padrón Díaz
Introducción
La historia del nacimiento de las nuevas tecnología ha enseñando que en estas siempre se avizoraron primero las ventajas y solo después los riesgos. La aceleración del progreso ha disminuido el lapso de tiempo entre su nacimiento y la introducción en la práctica. Por otra parte, muchas veces los efectos adversos se manifiestan a través de una larga cadena de eventos o se enmascaran en sucesos que aparentemente no se le relacionan y para poder desentrañarlos se requiere del tiempo que siempre niega el ritmo del progreso.
La Nanociencia y la Nanotecnología están experimentando un impetuoso desarrollo y en ellas están presentes las conexiones riesgo-beneficio. Como nuestro país ha definido entre sus direcciones estratégicas de desarrollo científico estas disciplinas, se precisa aplicar el principio de precaución que garantice aprovechar las ventajas que ofrecen minimizando sus riesgos, que deberán ser identificados y gestionados apropiadamente.
La motivación que ha impulsado al colectivo multidisciplinario de biólogos, ingenieros y físicos del Centro Nacional de Seguridad Nuclear (CNSN) y del Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN) a tratar en este libro aspectos claves que deberán ser considerados para poder garantizar que la actividad de investigación y desarrollo con nanomateriales satisfagan los estándares de seguridad adecuados. Los especialistas seleccionados para esta tarea cuentan con una amplia experiencia práctica en los campos abordados. Sin embargo, la dinámica acelerada de la evolución de este campo del conocimiento imposibilita abarcar todos los elementos en detalle, por lo que se ofrecen abundantes referencias para profundizar. No obstante, este tipo de monografía pertenece a la categoría de aquellas que envejecen prontamente al tratar un campo emergente. Estas circunstancias explican el deseo de los autores de transmitir una filosofía de trabajo y no un formulario de soluciones.
Es importante resaltar que en este texto solo se abordara la Nanoseguridad a escala de laboratorio o situaciones de producción a muy pequeña escala acorde a las actuales realidades nacionales. Sin embargo, el entorno de investigación y desarrollo, plantea el reto más exigente, por la gran versatilidad de métodos y materiales que involucran, muchos de los cuales resultan nuevos. La gestión de riesgo en la I+D exige un gran volumen de trabajo y una alta demanda de personal especializado.
La carencia de datos sobre los nanomateriales imposibilita en la casi totalidad de los casos aplicar métodos cuantitativos de evaluación de riesgos. No obstante, los métodos simplificados permiten realizar una evaluación cualitativa del riesgo de exposición a nanopartículas y tomar decisiones sobre las medidas preventivas necesarias para el control del riesgo, en ausencia de legislación específica o valores de referencia.
Nuestro profundo agradecimiento al equipo del sello editorial Científico-Técnica de la Editorial Nuevo Milenio y, en especial, al permanente estímulo de la Lic. Miriam Raya Hernández, así como al cuidadoso trabajo de edición realizado por el Lic. Carlos A. Andino Rodríguez.
Por último, los autores desean transmitir a los lectores la importancia de fomentar en los colectivos e instituciones la Nanoseguridad como un elemento de la cultura tecnológica.
Dr.LuisFelipeDesdínGarcía
Editor científico
Capítulo I. Nanociencia y Nanotecnología
Introducción a la Nanociencia y la Nanotecnología
Los organismos vivos son reconocidos como las estructuras de mayor complejidad en aquella parte del Universo a que tiene acceso el hombre contemporáneo. Todos ellos a pesar de su diversidad están constituidos por pequeños ladrillos microscópicos de dimensiones del orden de las micras: las células. Algunos a pesar de ser seres unicelulares tienen la capacidad de reaccionar de muy variadas formas ante los estímulos del entorno, estas respuestas que garantizan su supervivencia son el resultado de la acción de estructuras subcelulares, cuyas dimensiones son del orden de la mil millonésima de metro: nanoestructuras.
De manera que las maravillosas funciones que los sistemas orgánicos son capaces de realizar (la lógica, la memoria, el movimiento, la síntesis química, la conversión de energía o, incluso, la conciencia del yo) son consecuencias directas de la complejidad estructural en la nanoescala. La nanoescala abarca la región comprendida entre 1nm y 100nm. Un nanómetro es una mil millonésima de metro. El prefijo nano se deriva de una palabra griega que significa enano o diminuto. Tomando como unidad de medida al nanómetro, entonces el grosor de un cabello humano estaría entre 10 000 nm y 100 000 nm, el tamaño de un glóbulo rojo sería de unos 5 000 nm, las dimensiones de un virus típico oscilaría entre 10nm y 100 nm, en el caso del responsable del resfriado común es de unos 100 nm y una proteína representativa de las que componen su envoltura tiene unos 10 nm de espesor. Una distancia de 1 nm equivale unos 10 diámetros atómicos, y corresponde a las dimensiones de uno de los aminoácidos que componen esta proteína. El diámetro de una molécula de ADN estaría en el entorno de los 2 nm y la del agua en unos 0,3 nm.
Al conocer estas maravillas de la naturaleza, se comprende la visión que delineó Richard Feynman, Premio Nobel de Física en 1959, sobre la potencialidad y riqueza que encerraba para la ciencia la manipulación de estructuras a escala nanoscópicas.1 Su perspectiva tecnológica avizoraba una miniaturización extrema muchos años antes que la palabra chip fuera adoptada en el argot popular.
Sin embargo, no sería hasta 1974 cuando N. Tanaguchi, de la Universidad de Tokio, acuñaría el término nanotecnología2 para referirse a la posibilidad de manipular moléculas individuales y obtener materiales con nuevas propiedades no observadas en las estructuras macroscópicas. Con este término deseaba distinguir entre la ingeniería a escala micro y la llevada a escala nano, una diferencia no solo de escala, sino un cambio cualitativo profundo. La popularización del término ocurrió en 1986, cuando vio la luz el libro Engines of Creation de Eric Drexler, del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
En la literatura se encuentran definiciones de nanotecnología que difieren en matices.3 Una de las de mayor aceptación fue enunciada por la Royal Society en 2004.4 En esta se define a las nanotecnologías como el diseño, la caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas por medio del control de sus formas, así como sus dimensiones a escala nanométrica. Resulta interesante que en esta definición se refiere a las nanotecnologías en plural para enfatizar su variedad de métodos y enfoques.
Muyligadoalconceptodenanotecnologíaseencuentraeldenanociencia.5Estecampodelconocimientoconsisteenelestudiodelosfenómenosylamanipulacióndelosmaterialesaescalaatómica,molecularymacromolecular,dondelaspropiedadesdifierensignificativamentedeaquellasqueexhibeestosagranescala.Lasinvestigacionesenestecampoestándirigidasaobservar,medirycomprenderlasvariacionesdelaspropiedades,ademásdelasreactividadescomofuncióndeltamañoylasformas.Lasvariacionesestructuralesqueobedecenaloscambiosdetamañoyáreassuperficiales,puedenincluirlaexpansiónylacontraccióndelosenlaces,elcambioenlosángulosdeestos,lavariaciónenladistribucióndelasvacancias,ademásdeotrosdefectos,talescomo:escalones,dislocacioneshelicoidalesygrietasentreotros.Enlasnanopartículasestoresultaenlaredistribucióndelasestructuraselectrónicasqueafectalascaracterísticasdesusinteraccionesconelentorno.
Se puede decir que el universo de interés de la Nanociencia y la Nanotecnología está acotado entre las dimensiones del isótopo más ligero, del hidrógeno y el diámetro del virus del resfriado, un rango espacial de 1:1 000 aproximadamente. Por debajo de la cota inferior de este universo y en escalas 10 000 veces menores, solo se encuentran las partículas elementales. Por encima de su frontera superior la materia se comporta acorde a las leyes de la física clásica.
En la zona nano los materiales fortalecen las propiedades que exhiben a escalas microscópicas o exhiben otras nuevas y sorprendentes. Los efectos cuánticos comienzan a alterar de manera significativa las propiedades (tales como: su transparencia, color de fluorescencia, conductividad eléctrica, permeabilidad magnética y otras características) de muchos materiales en el entorno de los 100 nm.6 Los efectos cuánticos en las propiedades electrónicas se incrementan de forma inversamente proporcional a la disminución de su tamaño.
Estecomportamientosedebealamanifestacióndelasleyesfísicasdenaturalezacuánticaquegobiernanlasnanopartículas.Eneldominionanoladescripcióndelmovimientonoseefectúasegúnlasleyesdecarácterdinámicotípicodelafísicaclásica,sinoatravésdeleyesdecarácterestadístico,quenopermitendeterminardemaneraabsolutaelestadodeunapartícula,sinosololaprobabilidaddeencontrarlaenesteestado.Mientrasqueenelmacromundo,losprocesosdemediciónnoalteranelestadodeunsistema,enestaescalaelactodemediciónloaltera.7
Losefectoscuánticosseponendemanifiestodeunamaneramásostensibleenlazonainferiordeldominionanoyesaspropiedadesdependientesdelasdimensionessehanexplotadoporsiglos;8porejemplo,nanopartículasdeoroyplatacontamañosmenoresa100nmsehanempleadocomopigmentosparacolorearcristalesycerámicasdesdeelsigloxden.e.Endependenciadesutamaño,unapartículadeoropuedeaparecerroja,azuloamarilla.Elretodelosantiguosalquimistasfueobtenertodaslaspartículasdelmismotamañoyporlotantodelmismocolor,desafíoqueseconservaparanuestroscontemporáneosdedicadosaobtencióndenanopartículasdesemiconductoresquantum dots(puntoscuánticos).Enestasnanopartículas(NP)losefectoscuánticoslimitanlosestadosenergéticosquepuedenposeerlosportadoresdecarga(electronesyhuecos),perocomolaenergíasecorrespondeconlalongituddeondadelosfotonesqueestasnanoestructurasabsorbenoemiten,entoncessuspropiedadesópticaspuedenserreguladasapropiadamentecontrolandosutamaño.
Laconductaquemanifiestalamateriaaescalananoscópicasestambiénconsecuenciadelincrementodesusuperficieespecífica(áreaporunidaddemasa).9Lasuperficieresultaimportanteporquelamayorpartedelasreaccionesquímicasqueexperimentaunsólidoocurrenensusuperficie,dondelosenlacesquímicosestánincompletos.10Lasuperficiedeuncubodeunmaterialsólidodearistaiguala1cmesde6cm2,sinembargo,lasuperficieespecíficadeesemismocubodescompuestoenformadecubosde1nmdearistaseríadeunos6000m2,equivalentesaladelasumadelasáreasdeunos100apartamentostípicosdedoshabitacionesenCuba.Estecúmulodenanopartículasconsugransuperficiepuederesultarexcepcionalmentereactivo,yaquemásdeunterciodesusenlacesquímicosseencuentranensusuperficie.Estecomportamientoseejemplificaenlaplata,lacualsehausadoencalidaddebactericida,perosolocuandosunanoestructuraincrementasuefectividad.Estereforzamientodeunamacropropiedadalpasoaescalanano,hainspiradoaldesarrollodefiltrosdeaguareutilizables,empleandonanofibrasdeplata.Losefectosbactericidasdeotrasnanoestructurascomolasdeóxidodezinc (ZnO),sontambiénestudiados.11
El incremento del área superficial refuerza las propiedades catalíticas del MoS2 (sulfato de moblideno), uno de los catalizadores más importantes de la industria del petróleo, empleado en remover el azufre presente en este combustible. La eliminación del azufre es vital para evitar las lluvias ácidas y su impacto en los bosques, lo cual explica los esfuerzos realizados para producir este material a escala nano.12 Sin embargo, el papel que desempeñan las superficies puede constituir un elemento de primer orden en los riesgos inherentes a la aplicación a gran escala de las nanotecnologías.13
En la frontera superior del mundo nano (∼ 100 nm) las propiedades físicas y químicas se ven afectadas por las fuerzas de la tensión superficial.14 A manera de ejemplo se puede citar su papel en las transformación de fases que conduce a la metamorfosis que experimentan algunos tipos de nanopartículas de carbono cuando son irradiados por haces de electrones muy energéticos15 y en los procesos de formación de nanopartículas a partir de vapores supersaturados.16 En esa región frontera nano, también se manifiesta la adherencia17 como consecuencia entre otros factores de las fuerzas dipolo-dipolo y fuerzas de dispersión de London, muy importantes en los procesos de adsorción y manipulación de nanoobjetos,18 así como una barrera crítica para la dispersión uniforme y estable de las nanopartículas, requisito indispensable para muchas aplicaciones industriales.19
La manipulación de los materiales a escala nanoscópica en fluidos confronta grandes obstáculos. En el siglo xix, J. C. Maxwell (1831-1879) planteó un experimento mental,20 el cual aparentemente violaba el segundo principio de la termodinámica (el “Demonio de Maxwell”), que puede ser interpretado teniendo en cuenta la naturaleza caótica del movimiento molecular. La interpretación de este paradójico experimento evidenció a principios del siglo xx que el movimiento browniano21 sería un impedimento serio en los intentos de controlar a átomos, así como moléculas en medios líquidos y gaseosos.
Los científicos que investigan en el campo de las nanociencias trabajan para comprender los efectos que se han descrito y su influencia en las propiedades de los materiales. Por su parte, las pesquisas de los expertos en las nanotecnologías pretenden sacar partido de estos efectos para diseñar y construir estructuras, dispositivos, así como sistemas con novedosas cualidades y desempeños.
Desdehacemuchoelhombreutilizaymanipulaestructurasnanométricas.Inclusiveenépocasenqueaúnnosedisponíandeevidenciassólidassobrelaestructuraatómicadelasustancia.Enelsigloxixsecomenzóausarunasustanciadenominadanegrode humoencalidadderellenoparalaproduccióndeneumáticos.22Estaestructurananométricadecarbonoseobtieneporlacombustióndelmetanoconcantidadeslimitadasdeaire.En1898G.Bredingobtuvocoloidesdeplata,platinoyoroenagua,empleandodescargaseléctricas,métodoquefueperfeccionadoenelperiodo1905-1909porT.Svedberg.Estastécnicassonempleadasenlacienciacontemporánea23paraobtenersolestanexóticoscomolosdelosmetalesalcalinosendisolventesorgánicos.Másdeunsiglodespuéslananotecnologíaharecurridoaestasparaproducirdeformacontinuananotubosdecarbono,24nanopartículasdeTiO2(óxidodetitanio)paralaabsorcióndelaradiaciónultravioleta25ynanotubosdecarbonodecoradosconpaladioparaelalmacenamientodehidrógeno.26
UnadécadaantesdelfamosodiscursodeFeynmanseinventabaen1947eltransistor,primerpasoenelprocesodeminiaturizacióndelaelectrónica,alcualsiguióunimpetuosodesarrolloparacrearpequeñosdispositivosenloschipsdesilicio.Elsiguienteavance,seprodujoaliniciodelosaños70delsigloxx,alintroducirseunatécnicaconocidacomolitografía de haces de electronesparacrearnanoestructurasydispositivosenelrangode40nm-70nm,dedimensionespertenecientesaldominiocuántico.
Ciencia del mundo nanoscópico y sus aplicaciones
Lacienciadelosmaterialesseencuentraenlagénesisdetodoslosproductosexistentesenlageneralidaddelossectoreseconómicos.Elprimerpasoaldecidirquématerialsevaautilizar,estábasadoendeterminarelmejorajustedelarelaciónpropiedadesvs.funcionalidad.Entonces,sitodaslaspropiedadesvanaircambiandocuandosepasaalananoescala,resultafácildeimaginarelimpactodelosnanomaterialesatravésdetodoslossectoreseconómicos:electrónica,computación,almacenamientodedatos,fotónica,comunicaciones,materialesymanufacturas,reactivosquímicos,plásticos,energía,medioambiente,defensa,entreotros.
Lasnanotecnologíasnosonsimplestecnologías,sonmásbienunastecnologías“facilitadoras”.Estanaturalezafacilitadorahacealasnanotecnologíasúnicas,peroestanoeslaprimeratecnologíadeestetipo.Encadasigloaproximadamentehanacidounatecnologíafacilitadora:textil,ferroviaria,automovilística,aviaciónycomputación.Cuandoestasentranenescenaproducenunprofundocambioenlasociedad.Hoydía,latecnologíadelacomputaciónestáaúnenunrápidocrecimiento. Mientras que las nanotecnologías están en una etapa temprana, intentandoecharraíces,situaciónsimilaralaqueexperimentabalaindustriadeloscircuitosintegradosenlosaños60delsigloxx.
Lahistoriadelacienciadelosmaterialesenseñaquelarutacríticaenlaobtencióndenuevosymejoresmaterialespasaporlahabilidaddecontrolarsuspropiedadesaescalascadavezmenores.Eldopadodelossemiconductoresparalaobtencióndezonasenriquecidasoempobrecidasconuntipouotrodeportadores,elcontroldelniveldeimpurezasenlasaleaciones,laestequiometriaprecisaenlareddeunsuperconductor,lasustitucióndelosátomosdehidrógenoporflúorenunpolímeroparaobtenerteflónyotrosmuchosejemplosilustranestaruta.
Porlogeneral,seclasificacomonanomaterialaaquelquetienealmenosunadimensiónmenora100nm.Lasdimensionesdeunnanomaterialsonmuyrelevantesalosefectosdelcampoqueabordaestelibro,porloqueresultapertinenteintroducirlascategorías(0D,1Dy2D).
Laspartículas0Dcomprendenestructurascristalinasquepuedenconsiderarsepuntuales,como:nanopartículasdesemiconductores(puntoscuánticos),nanopartículasmetálicasplata(Ag)yoro(Au),asícomolacélebremoléculaC60,conunrangoinferioralos100nmenlastresdimensiones.
Enelgrupodelosnanomateriales1Dseencuentranaquellosquetienendosdimensionesenelmundonano.Enestafamiliaseincluyennanoestructurascomolosnanotubosdecarbonoparedsimple,uncilindrodeunvalorelevadodelarelaciónlongitud-diámetroyunaparedconstituidaporunacapamonoatómica,losnanotubosdeparedmúltiplesconparedesdevariascapasdeátomosylosnanocuernos.Tambiénincluyeaestructurasanálogasdeóxidos;porejemplo,eldevanadioytitanio,ananocables,asícomoarregloslinealesdepuntoscuánticosyabiopolímeros,comolasmoléculasdeADN.
Lacategoríade2Dcomprendeeluniversodelosfilmes,lascapasylassuperficies.Desdehacemuchosaños,losfísicoshanestudiadolaspropiedadeselectrónicasdesistemasbidimensionalesnanoscópicossemiconductores.Elfuncionamientodeloschipsdelascomputadorassebasaenlaspropiedadesdelainterfacedelascapasentreelsilicioysuóxido.Apesardequelacategoría2Dpresuponelaabstraccióndeunasuperficiesinespesor,enlarealidadestatieneunvalorfinito.Enelcasodelossemiconductores,estegrosorseextiendetípicamenteenelrangode10a100capasatómicasyelsistemasepuededescribirconexactitudcomo2D,soloporlamagnituddelefectocuánticoquehacequeelgradodelibertaddeloselectronesenelejeperpendicularalacapaseairrelevante.Haceunosaños,ungrupodeinvestigacióndelaUniversidaddeManchesterllegóaaislaryestudiarelnanomaterial2Dporexcelencia(elgrafeno),unaláminadeátomosdecarbonodeundiámetroatómicodeespesororganizadoslateralmente,enunenrejadoenformadepanaldeabejas.27,28
Lasinvestigacionesseefectúanaunritmoaceleradoenlananociencia.Resultaunatareamuydifícildepronosticarenquésectorymomento,susresultadosimpactarán,peronocabedudadequelapresenciadelosnanomaterialesseráalgocotidianoennuestrasvidas.Hoydía,enelmercadomundialhaymilesdeproductosquellevanensusetiquetaselprefijonano,estacircunstanciajustificalanecesidaddedisponerdesistemasdenanoseguridad,loscualesgaranticenbuenasprácticasenlasactividadesqueinvolucrennanopartículas.
Aplicaciones de losnanomateriales
Lasestrategiasdelubricaciónempleandesdehacemuchotiempoamoléculasampifílicascomoaditivosenlubricantes,paraconferirlespropiedadesanticorrosivas,lareduccióndelafricciónyeldesgaste.Ladisponibilidaddeungranarsenaldenanopartículasylacomprensióndesuacción,sonelorigendenuevasestrategiasdelubricaciónusandocompósitos,asícomonanopartículasfuncionalizadasdispersosenaceitesygrasaslubricantes.29Entrelasnanopartículas,objetodeinvestigaciónparaaditivosdeloslubricantesseencuentranlasnanopartículasdeWS2yMoS2conestructurasconcéntricasqueexhibenexcelentespropiedadestribológicasparasuempleoencalidaddeaditivosparalubricantes.30,31,32
Elgrafitosehaempleadocomolubricantesólidodesdehacemuchotiempo,asícomosuspropiedadessonestudiadasprofusamenteconysinlapresenciadeotroslubricantesadiferentestemperaturas.Portanto,aldescubrirsenuevasformasalotrópicasdelcarbonoconestructurasconcéntricas,deinmediatosecomenzaronaestudiarsuspropiedadestribológicas,enparticular,elusodenanocebollasdecarbonoencalidaddeaditivo33,34,35,36seinvestigasindescanso.
Entrelasnumerosaspromesasdelananotecnologíahaymuchasrelacionadasconelmedioambiente.Lamayoríadelasaplicacionesdelananotecnologíaenestecampocorrespondenalosgrupossiguientes:37,38
1. Productosbenignososustentablesparaunaquímica“verde”ylaprevencióndelapolución.
2. Laremediacióndematerialescontaminadosconsustanciaspeligrosas.
3. Sensoresparadetectaragentesmedioambientales.
Aunque estas tres categorías son usualmente elaboradas en términos de sustancias químicas o material no biológico, se debe enfatizar que estas también se aplican a materiales y agentes biológicos, en particular, la Nanotecnología desempeña un gran papel en el esfuerzo actual para desarrollar mejores métodos de detección y descontaminación de agentes biológicos dañinos,39 que son en muchos casos problemas medioambientales.
Con respecto a la remediación de contaminantes medioambientales, el rango de las aplicaciones nanotecnológicas refleja las estrategias convencionales para tales fines. Dos de las mayores distinciones que definen las tecnologías convencionales de remediación también se aplican a las nanotecnologías: absortiva vs. reactiva e in situ vs. ex situ. Las tecnologías de remediación absortivas remueven (especialmente los metales) secuestrándolos, mientras que la tecnología reactiva degrada al contaminante, en muchos casos llevando a productos inocuos [por ejemplo dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), en el caso de contaminantes orgánicos]. Las tecnologías in situ consisten en el tratamiento de los contaminantes en el lugar donde se encuentren, mientras que el exsitu se refiere al tratamiento después de haber llevado el material hasta una locación más conveniente (por ejemplo, el agua subterránea contaminada hasta un reactor para su tratamiento en la superficie).
Muchos expertos coinciden en que los campos de la óptica y la fotónica experimentarán grandes progresos bajo la influencia de las nanotecnologías. Se trabaja en la confluencia e integración de las funciones de la fotónica con la electrónica, dirigidas a algunos campos de aplicación, como: la comunicación y la telecomunicación de datos (métodos de visualización e imágenes), así como de pantallas avanzadas. Las nanoestructuras destinadas a la emisión y detección de luz constituyen otra prioridad. Se buscan nuevos semiconductores compuestos, nanocables y puntos cuánticos para láseres, además de diodos emisores de luz. La nanofotónica con metales abre nuevas posibilidades para un fuerte confinamiento, filtraje de la luz, guiado y extracción. Estas propiedades permiten numerosas aplicaciones entre las que se encuentran: sensores, interconexiones, almacenamiento de datos, pantallas, iluminación y celdas fotovoltaicas.40
En las energías convencionales el objetivo de su almacenamiento consiste en optimizar el ajuste entre la demanda y la generación. Sin embargo, las energías renovables, especialmente la solar y la eólica, no tienen una alta densidad y solo son disponibles en forma irregular e intermitente, por lo que el éxito de estas tecnologías está determinado por la capacidad de almacenamiento de energía.41 También ha crecido a un ritmo acelerado el número de dispositivos y equipos portátiles de uso cotidiano: GPS, computadoras portátiles, teléfonos móviles, sensores, etc.; todo este equipamiento exige baterías ligeras y capaces de almacenar altas densidades de energía.42
Nuevos tipos de nanomateriales de carbono, tales como los nanotubos y las nanofibras, se han estudiado como posibles materiales para los electrodos en los capacitores electroquímicos, estos tienen un área superficial mayor que el carbón activado convencional y así ofrecen una mayor capacitancia. Algunos estudios han sugerido que materiales de carbono con estructuras de nanoporos pueden exhibir aún mayores capacitancias, porque sus iones en geometrías confinadas son despojados de sus moléculas de solvatación, lo que reduce su tamaño efectivo.43
Desde la creación del primer transistor en 1947, la electrónica se ha basado fundamentalmente en un solo material, el silicio. La aparición de los MOSFET en la década de los 60 del siglo xx y el desarrollo de la microlitografía y otras técnicas, permitieron la continua miniaturización de los dispositivos de silicio. Los incrementos resultantes en la densidad y rapidez de conmutación, así como la reducción de los costos, han hecho posible la era de la información en la cual vivimos. Por razones tecnológicas e incluso por fundamentos de la física, ese proceso de escalado está alcanzando su límite útil. En respuesta, los investigadores buscan nuevas ideas para crear dispositivos lógicos basados en otros principios operativos y otros materiales, cuyas propiedades puedan garantizar el escalado a menores dimensiones y con mayores prestaciones. Entre las alternativas tecnológicas se encuentra la basada en la electrónica del carbono, la cual se fundamenta en el empleo de los nanotubos.44
Entrelasambicioneshumanaslacreacióndecomputadorasqueemulenenpotenciayeficienciaconelcerebroocupaunlugarespecial.Nuestrocerebroconunamasadealgomásde1kgdepesoyunapotenciade~7Wa14Wesunarquetipoinalcanzable.Enlasoperacionesqueserealizanenunacomputadoralainformaciónsetraduceaunlenguajebinariodeunosycerosquecorrespondenavaloresdeunpotencialeléctrico.Estasoperacionesrequierenunconsumodeenergíayuntiempomínimodeoperación.Laconmutacióndecircuitosdeterminaengranmedidalavelocidadyeficienciaconquepuederesolverunproblema.Losinvestigadoresrecurrenalananocienciacomounmedioparaacercarsealparadigmaquerepresentaelcerebrocomolacomputadoraideal.Paraelloseinvestiganinterruptoresmolecularesquepermitanefectuarconmutacionesrápidasconunconsumomínimodeenergía.Sehaestudiadounaestructurabasadaenlamoléculadeporfirina45conocidaporsusiglaCu-TBPP,lacualcuentaconcuatroestructurasramificadasqueadoptaunestado“conectado”cuandounadeestasestructurasestáenposiciónperpendicularalasuperficiedelcobrey“desconectada”cuandoestáparalelaaestasuperficie.Esaoperacióncomointerruptormolecularsolorequiereunaenergíade100septojulios(100·10-21julioso0,6eV)queesunadiezmilésimapartedelaenergíadeconmutaciónqueconsumeuninterruptorbasadoenlostransistoresusadosenlasactualescomputadorasdealtavelocidad.Seestimóqueunacomputadoraconstruidacon1012detalesnanodispositivosinterconectados,podríaoperara1GHzconunconsumoenergéticoinferioralos100W.
Se puede aseverar que sin la catálisis, la vida en general sería imposible. Basta para ello recordar que la asimilación del CO2 por la clorofila de las plantas en la fotosíntesis es un proceso fotoquímico de naturaleza catalítico. La catálisis es de gran importancia para la ingeniería y el campo de aplicación de los catalizadores en la industria química no conoce fronteras. Con la selección apropiada del catalizador los procesos pueden ser conducidos en la dirección y velocidad requeridas. El gran valor de la superficie específica de las NP le brinda una gran actividad catalítica. Las nanotecnologías permiten la producción de nanoestructuras con propiedades optimizadas para el proceso que se requiera y depositadas en soportes adecuados al fin previsto.
El caso de la producción de estireno, una de las materias primas básicas de la industria química, un monómero a partir del cual se produce el poliestireno (plástico de amplio uso). Se estima que unas 1 500 plantas producen al año unos 25 millones de metros cúbicos de estireno por un valor de unos 66 mil millones de euros. Siendo uno de los diez procesos industriales más importantes en la industria química. Sin embargo, este proceso es altamente endotérmico, es decir, requiere de mucha energía y en correspondencia es muy caro. Ello ha estimulado el estudio de nanomateriales de carbono como catalizadores y se reporta que en el caso específico de las “nanocebollas”, su empleo permite aumentar la salida de estireno en 15 % y reducir la temperatura de operación en 150 ºC.46
En el campo de las ciencias médicas se pronostica un profundo impacto de las nanotecnologías. Estas cambiarán la forma en que se administran los medicamentos; por ejemplo, se trabaja en la creación de dispositivos que empleando sensores de diagnóstico o un nano envase que permitan llegar hasta los fluidos para administrar un medicamento o para recoger una muestra con un daño mínimo (¡imagine usted lo traumático que resulta una biopsia de hígado en un niño!). La inhalación de medicamentos en forma de aerosoles es otra de las aplicaciones de este tipo que se potenciará.
En un relato de S. Lem ¿Existe verdaderamente Mr. Smith?, planteó la ficción de una sociedad con un nivel de desarrollo tecnológico en que era posible sustituir los órganos defectuosos de una persona como se hace con las piezas de un automóvil. En 1901 el patólogo austriaco K. Landsteiner estableció la clasificación de los grupos sanguíneos, descubrimiento que abrió las puertas al primer tipo de trasplantes: las transfusionesdesangre.Enelsigloxxsededicarongrandesesfuerzosalacienciadelostrasplantes.UnhitoimportantesedebeaCh.NeethlingBarnardcirujanosudafricanoquerealizólaprimeraoperacióndetrasplantedecorazónhumano,el3dediciembrede1967.HoylaNanotecnologíaprometehacerrealidadlafantasíadeLem,alplantearselatareadelareconstruccióndetejidomuscular:sustituirtejidosqueyanofuncionanporotrosartificialesquellevenacabolamismafunción.Ademásporlascontribucionesdelananocienciasehaalcanzadolaposibilidaddeañadirvasossanguíneosaltejidomuscularcultivadoin vitro,acrecentandoasílasposibilidadesdereparareltejido.47Deigualmanera,seestándesarrollandoestudiosconestatécnicapararestaurarestructurasóseas,cartílagosoelpáncreas.
Hoydíamuchosdelosimplantesortopédicos,asícomolasválvulascardiacassehacendealeacionesdeaceroinoxidableytitanio,engranmedidaporsubiocompatibilidad;desafortunadamente,enalgunoscasosestosmaterialesexperimentandesgaste.Losnanomaterialesbrindanalternativasventajosasofreciendodureza,resistenciaaldesgasteylabiocorrosión,asícomobiocompatibilidad.Enotroscasoslosnanomaterialesresultanligeros,resistenteseinertes.Enresumensetratadeincrementarladurabilidaddelosimplantes(dentales,cocleares,pectorales,capilares,extramedulares,decadera,etc.),mejorandolaadhesiónydurabilidaddelosrecubrimientosbiocompatiblesdeestosdispositivosconelconsecuentemejoramientodelacalidaddevida.Porotrapartelosnanomaterialesparaimplantesseelaboraránimitandoalanaturaleza.
Hoyporhoy,lasestructurasdehuesoartificialseelaboranusandounagrandiversidaddemateriales,talescomopolímerosofibrasdepéptido,perotienenladesventajadenoposeerlaresistenciayelriesgodeserrechazadosporelcuerpohumano.Sinembargo,losnanotubosdecarbonosonexcepcionalmentefuertes,flexiblesyexistemenosposibilidadderechazoporsucarácterorgánico.Porlotanto,podríanservircomoandamioscapacesdesoportaraloshuesosyayudaravíctimasdeosteoporosisyhuesosrotos.
Eltejidoóseoesuncompuestonaturaldefibrasdecolágenoehidroxiapatitacristalina,unmineralbasadoenfosfatodecalcio.Losinvestigadoreshandemostradoquelosnanotubosdecarbonopuedenimitarlafuncióndecolágenoyactuarcomounarmazónparainducirelcrecimientodecristales
